钢坝节制闸水工建筑物的布置及设计要点

秦世兵

（新乡市水利科技推广中心，河南 新乡 453000）

0 引言

节制闸工程位于新乡市共产主义渠主河槽，G107国道牧野大桥上游约400 m 处，左岸为渠滩地，右岸为共产主义渠100 年一遇堤防，左岸上游距凤泉东湖约1.15 km。共渠节制闸工程主要建设内容为：新建钢坝节制闸一座，5 孔工作闸门闸孔总净宽164 m，总宽200 m；新建管理用房250 m2，设备用房325 m2；管理区绿化400 m2；节制闸自动化系统及安全监测、观测等管理设施。

设计采用的工程技术标准：①设计洪水标准依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，共渠节制闸工程等别为Ⅳ等小（1）型，其主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级。考虑共渠左岸凤泉区防洪标准20 年一遇，共渠右岸新乡市区防洪标准为100年一遇，此工程钢坝闸的洪水标准均取上限。即钢坝闸的设计洪水标准为20 年一遇，相应流量1 650 m3/s；校核洪水标准为100年一遇，相应流量3 130 m3/s。②依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》4.1.5 规定，考虑到节制闸采用钢坝闸新型结构，因此对建筑物可提高一级进行设计。确定主要建筑物级别为3级。工程闸室、翼墙、上游铺盖、下游消力池级别为3 级，防冲槽及海漫段以外的护底、护坡等次要建筑物级别为4级。考虑到检修廊道和电缆廊道穿过共渠右堤，根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，穿越堤防的永久性水工建筑物级别不应低于相应堤防的级别。共渠右岸堤防为1级堤防，由此确定穿堤廊道的级别为1级建筑物。③根据《中国地震动参数区划图》，工程所处场地50 年超越概率10%，一般场地条件下的地震动参数为：地震动峰值加速度0.20 g，特征周期0.40 s，对应基本地震烈度Ⅷ度，此工程抗震设防烈度为Ⅷ度。④根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》条规定，工程为Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，确定工程合理使用年限为50年，永久性建筑物合理使用年限为50 年。根据《水工混凝土结构设计规范》，工程所处环境类别为二类，各部位混凝土抗渗等级W4、抗冻等级F150、抗压强度C15～C30等级。

1 正常蓄水位的确定

1.1 水位确定原则

①回水长度尽量满足城区生态环境需求。②正常蓄水位不影响堤防的安全。③有利于水体自然净化，便于水质维护。④蓄水位不引起堤外土壤盐碱化。

1.2 正常蓄水位选择

①工程位置处现状河底高程65 m，考虑在不影响河道泄流、冲刷及淤积的情况下，确定共渠节制闸底板高程为65 m。综合分析正常蓄水位方案的优缺点，此次确定正常蓄水位为68.30 m。②根据地质勘察资料，节制闸附近滩地和外地面高程约为69 m，钻孔水位为64.80 m，比滩地和外地面高程低4.20 m，地下水埋深较深。共渠左岸滩地与右堤外部分为农作物，大多一年两季为小麦和玉米，植物根系深度约0.50 m，工程运行后，蓄水区达正常蓄水位68.30 m 时，闸顶溢流水位为68.40 m，溢流水位比蓄水区附近的滩地低0.60 m，水位低于植物根系深度，且共渠节制闸所蓄水的矿化度较低，因此，蓄水区正常蓄水位68.30 m时，对蓄水区周边浸没影响较小。

2 主要工程地质条件

2.1 第四系全新统人工堆积（Qs4）

人工堆积：黄褐色和灰褐色，硬塑，以中、重粉质壤土为主，夹杂灰白色钙质结核，粒径2～20 mm，无摇震反应，干强度高，韧性中等。主要分布于共产主义渠道两侧，右岸为堤坡填土，厚度2～3.10 m，层底高程为66.27～67.04 m，左岸为堆填土，厚度0.50～0.60 m，层底高程为67.82～68.32 m。

2.2 第四系全新统冲积物（Q41al）

重粉质壤土（Q41al）：黄褐色，硬塑，部分有机质含量较高，颜色为黑色，以重粉质壤土为主，于渠道两岸连续分布，厚度1.10～3.50 m，层顶高程为66.27～68.82 m。标准贯入试验击数3～9 击，平均7 击。

2.3 第四系上更新统冲洪积物（Q3alp）

重粉质壤土（Q3alp）：黄褐色，硬塑，厚度1～5.80 m，层顶高程64.73～66.42 m。标准贯入试验击数10～20 击，平均12 击。连续分布，并且由于渠道内新近开挖导致此层大部分出露于地表，厚度10.70～16.80 m，平均层厚约14.20 m，层顶高程为59.24～65.84 m。以上标准贯入试验击数7～31击，平均20击。

2.4 第四系中更新统冲洪积物（Q2alp）

重粉质壤土（Q2alp）：黄褐色，硬塑，韧性高，切面光滑，无摇震反应，干强度高。含钙质结核和铁锰质结核，粒径多为2～5 mm，分布不均，部分孔段可见富集现象，含量可达60%。在场区均有连续分布，厚度7.50～10.50 m，平均层厚约8.60 m，层顶高程48.52～50.13 m。标准贯入试验击数14～50击，平均23击。

2.5 新近系上新统潞王坟组（N2L）

泥灰岩（N2L）：灰白色，含砾石分选性差，多呈次圆状，泥质胶结，胶结极差，岩芯采取率极低，为软岩、极软岩。被胶结物质以砾石为主，含量约55%～60%，层顶高程36.84 m。

3 水工建筑物的区位布置

节制闸工程位于共渠G107国道牧野大桥上游约400 m 主槽内（共渠桩号：25+500），左岸为共渠滩地，右岸为共渠100年一遇堤防，左岸上游距凤泉东湖约1.15 km。

4 水工建筑物设计要点

4.1 节制闸主要参数设计

4.1.1 设计流量

节制闸工程非汛期存蓄再生水，改善河道生态环境。节制闸设计洪水标准为20年一遇，对应下泄流量1 650 m3/s；校核洪水标准为100 年一遇，对应下泄流量3 130 m3/s。共渠遭遇20年一遇洪水与100年一遇洪水均已从主槽漫出至滩地，经洪水影响分析计算，节制闸对行洪影响较大的工况为行洪水位临近滩地高程但尚未出主槽工况。因此，设计以节制闸上游水位不漫出主槽为原则确定节制闸闸孔最大过流能力。根据闸址共渠断面水位流量关系，经计算分析，当共渠洪水流量为768 m3/s时，闸上水位为69.70 m，与滩地高程基本相当，由此确定节制闸设计流量为768 m3/s。

4.1.2 闸室宽度确定

节制闸布置在共渠主槽内，共渠主槽宽200 m，为尽量减少对泄洪的影响，在主槽全断面布置闸室，闸室总宽度为200 m。

4.1.3 闸孔数确定

考虑不影响泄洪，在闸室总宽确定的情况下，应尽量减少闸孔孔数，减少闸墩数量。根据规范在闸孔孔数少于8 孔时，宜采用单数孔。根据工程要求及设备要求等综合考虑，工程推荐采用5孔闸孔方案，闸孔总净宽为164 m，单孔净宽32.80 m。

4.1.4 过流能力计算

根据水闸闸门布置，门体全部放倒后低于闸底板，因此该情况下按高淹没状态无底坎宽顶堰流计算，即平底板水闸堰流。水闸过流能力计算采用《水闸设计规范》附录A 中高淹没堰流公式。经计算分析，当共渠洪水流量为768 m3/s 时，闸下水位为69.65 m，闸上水位为69.70 m，较原渠道行洪水位壅高0.05 m，满足相关规范要求，不会对河道行洪造成影响。

4.1.5 闸室稳定计算

闸室稳定计算包括基底应力及不均匀系数计算、抗滑稳定计算和抗浮稳定计算，计算依据《水闸设计规范》的规定执行。取顺水流向相邻永久缝之间的闸段作为稳定计算单元。计算结果分，闸基持力层为细砂，承载力特征值为180 kPa。从地质勘察资料可知，在各种工况下，闸室各段抗滑、抗浮安全系数、地基承载力和基底应力不均匀系数均满足规范要求。

4.1.6 闸室沉降计算

依据《水闸设计规范》，土质地基最终沉降量按公式计算，土质地基上水闸建筑物大沉降量不宜超过15 cm，相邻部位的最大沉差不宜超过5 cm。计算结果表明，沉降计算结果均满足水闸规范要求。由于节制闸采用钢坝闸，根据闸门制作安装要求，相邻部位沉降差须小于10 mm。根据沉降计算结果，相邻部位最大沉降差为7.98 mm，能够满足钢坝闸结构变形要求。

4.1.7 主要结构计算

节制闸坐落于共渠主槽内，布置以尽量不减少原河道过水断面为原则，既要满足功能要求，也要保证行洪时安全。结构计算以遭遇校核洪水为最不利工况进行计算。闸墩顶高程为70 m，校核洪水位74.11 m，墩顶水深4.11 m，上游铺盖及下游消能防冲设计，节制闸泄洪过程中，下游水位逐渐从无水或低水位条件逐渐升高，上下游水位差逐渐减小，泄流量也随之变化，在此过程中，会出现一系列流量水位组合，消能防冲计算控制工况在上述组合中选取。根据节制闸调度运行方式，行洪时先开启中间3#闸门，再同时开启两侧2#和4#闸门，最后同时开启外侧1#和5#闸门。根据闸门调度运行方式，对闸门放倒过程进行消能防冲设施水力计算，钢坝闸放倒高度按每0.50～1.50 m为一级，逐级进行计算。

5 结语

钢坝闸是一种新型的挡蓄水建筑物，泄洪能力强、自动化程度高、美观、运行效果好，共渠钢坝节制闸水工建筑物的布置及设计，可以为其他类似工程提供经验和借鉴。